单层球面网壳设计实例(已加密)
大跨度空间部分球面单层网壳结构安装技术
大跨度空间部分球面单层网壳结构安装技术[摘要]随着目前建筑业的飞速发展，商业项目越来越多，而商业类项目通常涉及到大跨度空间部分球面单层网壳结构，诸多工程采用了单层网壳结构。
在基于大跨度空间部分球面单层网壳结构，主要存在钢管立柱安装垂直度难控制、铸钢件与立柱连接准确性难以保证、铸钢件树杈圆管定位精度控制难等情况，也存在结构跨度大、网壳结构造型不规则、收边环管及梁标高不一致等特点。
本技术主要从钢管立柱精准安装、铸钢件与立柱准确连接、铸钢件树杈圆管定位精度控制、主次梁焊接、收边环管焊接及满堂架搭设等多方面进行介绍，提升了钢管立柱、铸钢件树杈圆管安装效率和精度，解决了跨度大、高度高的多条梁不规则相交、精密焊接、构件安装精度控制问题，保证了大跨度空间部分球面单层网壳结构安全安装和焊接质量。
[关键词]大跨度空间部分球面网壳结构铸钢件焊接Installation technology of spherical single-layer net shell structure in large-span spaceLi Yunfei, Zou Minglong, Zhou Fan, Wu Desheng, Xiong Guangbing(China Construction No.8 Bureau Southwest Company, Chengdu, 610041)[Abstract] With the rapid development of the construction industry, there are more and more commercial projects, while the commercial projects usually involve the spherical single-layer net shellstructure of the large-span space, and many projects adopt the single-layer net shell structure. Based on large span space part of the spherical single layer shell structure, mainly exist steel pipe column installation verticality difficult control, steel casting and columnconnection accuracy is difficult to ensure, steel branch pipepositioning precision control, and so on and so forth, there are also large structure span, shell structure modelling irregular, edge ring pipe and beam elevation inconsistency. This technology is mainly introduced from the steel pipe[Key words] Cantilever steel beam , H-shaped steel support, Uninstall , Weldingcolumn accurate installation, steel casting and column accurate connection, steel branch pipe positioning precision control, primary and secondary beam welding,edge ring pipe welding and full frame erection, improve the steel pipe column, steel branch pipe installation efficiency and accuracy, solve the span, high height of multiple beam irregular intersection,precision welding, component installation precision control, ensurethe part of large span space spherical shell structure safetyinstallation and welding quality.[Key words] Large-span space part of the sphere, mesh shell structure cast steel parts welding0引言当前房地产开发中，商业项目越来越多，而商业类项目通常涉及到大跨度网壳等结构形式，诸多工程采用的是钢管立柱和铸钢件。
商业广场椭圆单层网壳设计研究
商业广场椭圆单层网壳设计研究1 概述现代建筑的屋面造型多为复杂曲面，广场顶盖也多为复杂曲面。
这些曲面造型复杂，多为弧线，甚至是高次曲面。
同时钢柱的形式也是多种多样，比如树状柱，完全不同于以往的格构柱。
以某商业综合体广场雨棚为例，此雨棚顶盖正投影为一椭圆，长轴为50m，短轴为24m，网壳矢高为2m。
柱为变截面树状柱，一次分叉为四枝，树干部分柱高12m，树枝部分柱高5.2m。
图1 雨棚骨架效果图通常大跨度网壳都是支撑于框架结构上。
本例的结构比较特殊，单层网壳支承于树状柱上，并且柱铰接于下部混凝土结构。
其难度在于如何实现网壳与树状柱的连接，保证对网壳有足够的支撑，以防止网壳屈曲。
同时网壳也要与树状柱形成可靠框架，以抵抗各方向的水平荷载。
2 结构布置此类结构实际可分为椭圆网壳构成的上部结构，和树状柱及其附属构件组成的下部结构。
两者的交界为椭圆网壳的边梁。
对于上部的网壳而言，应对网格作适当优化，使得分隔均匀，无刚度突变，以避免异常局部失稳。
对于下部结构而言，应保证下部结构为一整体，在空间各个维度上均有可靠刚度，为上部结构提供稳定支承。
上部结构的网格划分对网壳刚度影响很大。
网格越密，网壳刚度越大。
网格的形状对网壳刚度影响也很大。
三角形网格网壳刚度要大于四边形网格网壳。
因为网壳的承载力往往由稳定验算决定，所以网壳的刚度直接影响网壳的承载力。
下部结构空间刚度应足够，才能对上部的网壳形成有效支撑。
为减小柱脚处对基础的影响，降低基础造价，通常柱脚设计为铰接。
这样就需要在柱头位置形成刚性框架。
对本例而言，因采用的树状柱，意味着树状柱顶应有一个空间桁架，空间桁架与10个树状柱形成一个空间框架。
空间桁架为环状四面体，四个面均为平面桁架，各桁架根据建筑要求分别选用腹杆类型和截面。
对于要求通透效果的桁架可选用钢索腹杆或空腹式桁架。
注意空间桁架应设置横隔，尤其是在树状柱支撑处。
图2 雨棚三维结构布置图按以上原则布置雨棚结构。
上部网壳的构件截面可选用圆管，避免了各向异性，并简化了节点连接。
某单层肋环形球面网壳结构的整体稳定分析
某单层肋环形球面网壳结构的整体稳定分析陈庆烈【摘要】整体稳定分析问题一直是球面网壳设计中的关键问题.理论分析和工程实践表明:网壳结构的设计通常受其稳定性控制.网壳结构的整体稳定分析主要有三种:屈曲分析、弹性整体稳定分析和弹塑性整体稳定分析.本文借助有限元分析软件ANSYS,以某单层肋环型球面网壳为代表,对其进行屈曲分析、弹性整体稳定分析和弹塑性整体稳定分析,同时深入研究不同缺陷模式对整体稳定性能的影响.研究发现,单层球面网壳前六阶屈曲模态的整体稳定系数相接近,且出现相邻的重模态现象;最低阶屈曲模态缺陷对网壳结构的弹性整体稳定承载力影响最大,但对其弹塑性整体稳定承载力的影响未必最大,故有必要考察相邻的较低阶屈曲模态缺陷对网壳结构的影响.【期刊名称】《四川建材》【年(卷),期】2016(042)003【总页数】2页(P87-88)【关键词】单层肋环形球面网壳;整体稳定;极限承载力;有限元;缺陷模式【作者】陈庆烈【作者单位】同济大学建筑工程系,上海200092【正文语种】中文【中图分类】TU399某单层球面网壳的直径为30 m，矢高20 m(网壳底部标高0.000 m，网壳顶点标高20.000 m)。
周边边界点为支座节点，且为固定铰支座。
荷载标准值为：均布恒载q=1.0 kN/m2 (不包括结构自重)；均布活载p=0.7 kN/m2。
钢材种类选用Q235。
为简化分析，本网壳采用同一杆件截面形式，160×5，径向等分为12份，每根杆件长约1.54 m，环向等分为30份，每根杆件长约0.32～3.14 m。
各杆件选用BEAM188单元，且每个杆件为一个杆单元。
杆件各节点理想刚接，且不考虑节点形式，支座节点理想铰接。
在弹性整体稳定分析时，假定材料为无限弹性；在弹塑性整体稳定分析时，假定材料为理想弹塑性[1]。
当网壳受恒载和活载作用时，其稳定性承载力以恒载与活载的标准组合来衡量，根据JGJ7-2010《网壳结构技术规程》[2](以下简称《技术规程》)中大量算例分析表明：荷载的不对称分布(实际计算中取活载的半跨分布)对球面网壳的稳定性承载力无不利影响。
单层球面网壳稳定性分析
题目：某K6型单层球面网壳，跨度50m，矢高10m，网格布置如图所示；承受全跨均布恒载，周边铰支，材料弹性模量5φ×。
试计算该结构的稳E=×，杆件截面均为18052.110MPa定承载力。
操作步骤：一、几何模型1、运行MSTCAD2、【建模】>【标准网格】，选择“单层球面网壳”模板（图1）。
单击【下一步】。
图13、选择“单层凯威特型网格”，如图2。
单击【下一步】。
图24、输入跨度50m，矢高10m，环向网格数6，径向网格数6，如图3所示。
单击【完成】。
图35、【文件】>【另存为】，保存为dwg文件，如图4所示。
图46、用AutoCAD打开dwg文件，另存为1.dxf文件（R2000版本），关闭AutoCAD。
7、在工作目录中用记事本建立一个文本文件，后缀为“.in”，内容为“loaddxf 1.dxf”，如图5所示。
图58、运行ADINA，并保存文件（路径名及文件名都不能出现中文），例如保存在D:\ADINAEXAMPLE文件夹中（即第7步的工作目录）。
9、在图6所示工具条上单击“Open”按钮，在打开文件对话框中，文件类型选择“ADINA-INCommand Files (*.in)”，选择第7步建立的文本文件，如图7所示。
单击【打开】。
图6图710、在图8所示工具条上单击“Mesh Plot”按钮，显示几何模型，如图9所示。
图8图9二、物理模型11、指定边界条件在图10所示工具条上单击“XZ View”按钮，将模型切换到XZ视图，如图11所示。
图10图11在图12所示工具条上单击“Apply Fixity”按钮。
图12在图13所示对话框中单击“Define”，定义铰支边界约束条件。
图13在图14所示对话框中单击“Add”。
图14在图15所示对话框中输入约束名称，单击【OK】。
图15在图16所示对话框中输入勾选“X-Translation”、“Y-Translation”、“Z-Translation”，单击【OK】。
跨度81m单层球面网壳的结构设计
跨度 ８ １ ｍ 单层 球 面 网壳的 结构 设 计
王 再 胜
（ 中南 建 设 集 团 钢结 构 有 限公 司 ， 杭 州 ３ １ ０ ０ ５ ２ ） 摘 要 ： 大跨 度 单层 网 壳 结 构 结 构 轻 巧 ， 造 型 美观 ， 得 到 了广 泛 应 用 。介 绍 某 大跨 度 单 层 球 面 网 壳 的 设 计 难 点及 设
１ 工 程 概 况
本 工 程 为北 京 某 地下 商 场 钢结 构 屋 顶 ， 采 用单 层 球 面 网壳结 构 体 系 ， 网壳 跨 度 ８ １ ｍ， 拱高 １ ５ ｍ，
矢跨 比 １ ／ ５ ． ４ ＞１ ／ ７ ， 结 构设 置 了 １ ６根 径 向 主梁 ， ６ 圈主 环梁 以及 １ ３圈次环 梁 ， 支 座处 环梁 为截 面最 大 的主 环梁 ， 另 外 网壳 顶部 设 计 了一 个 直径 ３ Ｉ Ｔ Ｉ 的加
计过程 ， 并 对 结 构进 行 了稳 定 性验 算 ， 保 证 了结 构 设 计 的合 理 及 安 全 。 关键词 ： 大跨 度 ；单层 网 壳 ； 稳 定 性 ；节 点设 计
ＤＯＩ ： １ ０ ． １ ３ ２ ０ ６ ／ Ｊ ． ｇ Ｊ ｇ ２ ０ １ ４ ０ ７ ０ ０ ９
ＴＨ Ｅ ＤＥＳＩ Ｇ ＮＥ ｏＦ Ｓ Ｉ ＮＧ ＬＥ— ＬＡＹＥＲ ＲＥＴＩ ＣＵＬＡＴＥＤ ＳＨＥＬＬ Ｓ ＴＲ ＵＣＴＵＲＥ ＷＩ ＴＨ ＴＨ Ｅ Ｓ ＰＡＮ ｏＦ ： ２ ０ １ ４—０ ３— ２ Ｏ
３ ６
钢 结构 ２ ０ １ ４年 第 ７ 期第 ２ ９卷 总 第 １ ８ ７ 期
王再胜 ： 跨度 ８ １ ｍ 单层 球 面 网 壳 的 结 构 设 计
表 １ 特 殊 荷 载 ｋ Ｎ ／ ｍ ２
高温下凯威特型单层球面网壳结构的承载能力分析
高温下凯威特型单层球面网壳结构的承载能力分析【中文摘要】凯威特型单层球面网壳结构是凯威特为了改善施威特勒型和联方型球面网壳中网格大小不匀称的缺点而创造的一种新型的网壳,它是由经向杆系、纬向杆系和斜向杆系将球面分成大小比较匀称的三角形网格。
又称为平行联方型网壳。
它不但网格大小匀称,而且内力分布均匀,因此常用于大、中跨度的穹顶中,例如体育馆、商场、会展中心等建筑。
这些公共建筑长时间处于职员密集的状态,一旦发生火灾,在职员安全疏散之前坍塌,会造成大量的职员伤亡和重大的经济损失。
在以往的对网壳的研究中主要集中在网壳的稳定性,而对于其高温下承载能力分析还很少。
因此,有必要对高温下凯威特型单层球面网壳结构承载能力进行深进研究,以保证其在火灾发生时,结构具有足够的耐火性。
本文在充分考虑几何非线性和材料非线性的基础上,采用有限元方法对125例高温下凯威特型(K8)单层球面网壳结构承载能力进行非线性的热—结构耦合分析。
首先,采用ANSYS有限元软件用瞬态热分析方法对单个杆件、局部火灾下和整体火灾下的凯威特型(K8)单层球面网壳结构进行温度场分析。
其次,通过热—结构多物理场耦合,采用ANSYS有限元软件利用全过程曲线方法对80例整体火灾下凯威特型(K8)单层球面网壳结构进行承载能力分析,得到高温下其耐火极限,比较在不同荷载大小、不同跨度、不同矢跨比对耐火极限的影响。
考虑整体火灾下结构的稳定性。
最后,通过热—结构多物理场耦合,采用ANSYS有限元软件利用全过程曲线方法对55例局部火灾下凯威特型(K8)单层球面网壳结构进行承载能力分析,得到高温下其耐火极限,比较不同火灾场景、不同跨度、不同矢跨比对其耐火极限的影响。
比较局部与整体火灾下对结构承载能力的不同影响。
通过本文的研究可以得到影响高温下凯威特型(K8)单层球面网壳结构承载能力的因素,得出结构无保护层和有保护层条件下其耐火极限,以及在进行抗火设计中对于凯威特型(K8)单层球面网壳结构如何选型为实际工程设计提供了依据;在对结构进行整体局部火灾分析,对工程实际有一定的指导意义。
某单层球面网壳结构设计
结构采用单层凯威 特型球面网壳结 构形式 ， 是在肋 环 型的基 ０ ２ Ｎ ｍ ， ．５ｋ ／ 在进行设 计计算 时 ， 载通过 面荷 载双 向导 荷 至上 荷 础上加斜杆 而组 成 的 ， 大大提 高 了网壳 的 刚度 ， 它 提高 了抵 抗非 弦杆件 。 对称 性荷载 的能 力。构件 数量 比肋 环型 多 ， 整 体 刚度好 ， 用 但 适 依据 Ｇ ０ １—０ ０建筑抗 震设计 规 范 ， Ｂ５０ １２ １ 综合 考虑 太原地 区
＼ ／／＼ ＼ ＼ ＼ ／ ／ ／ ７１
＼ ｛ ＼ Ｉ Ｉ ／ ／ ／ ／ ／＼
值取 ０ １ （ ＝ ．６ ， ．６ 一 ０ １ ） 特征周 期值取 ０ ４ （ ｇ ０ ４ ） 钢 结 ．５ｓ Ｔ ＝ ．５ｓ ，
构 阻 尼 比取 ０ ０ （ ．２ ＝０ ０ ） ．２ 。
整个计算过程 中结构 向和竖直方 向的地震作 用的影响。
０ ３ ３１ ９ ６
０． ８８ １ ３ ５
３ 使 用程 序 和计算 依 据
对该单层凯威特 型球 面网壳进 行动力 特性 的模 态分 析 ， ｌ 表 本论文采用空 间结构设 计 软件 ３ ３ Ｄ Ｓ建模 计算 ， 钢结 构分 显示 了结构前 ９阶振型 的 自振周期 结果 及振 动形 式 ， ３～图 ６ 用 图
载 为 ０ ５ｋ ／ 基 本 风 压 为 ０ ４ｋ ／ ，０年 一 遇 的基 本 雪 压 为 ． Ｎ ｍ ， ． Ｎ ｍ ５
． Ｎ ｍ ， 吊顶 荷 载 ） ０ ５ｋ ／ ， 面 活 荷 为 ． Ｎ ｍ 屋 到造型的美观和 功能要 求 ， 应建 筑要 求 ， 屋盖 用如 图 １ 示球 面 静 载 为 ｏ ５ｋ ／ 下 弦 静 载 （ 所
．
４ ・ ８
第３ ８卷 第 ２ １期 ２ｏ １２ 年 ７ 月
钢结构焊接空心球单层球面网壳安装工法之一
***建筑工程有限责任公司（***- - ）二〇〇 年 月焊接空心球单层球面网壳安装工法编制人员一览表会签日期：200 年月目录1．前言 (4)2．工法特点 (4)3．适用范围 (4)4．工艺原理 (5)5．施工工艺流程及操作要点 (5)6．原材料与机械设备 (8)7．质量控制 (9)8．安全措施 (15)9．环保措施 (16)10．效益与施工效率分析 (17)11．应用实例 (17)焊接空心球单层球面网壳安装工法1.前言随着社会的进步与发展，人们对建筑的外观造型及美感要求越来越高，因而许多焊接空心球单层球面网壳得以充分应用。
焊接空心球单层球面网壳的安装关键要做到球节点定位准确、焊接变形小、安装过程安全、高效。
近年来我公司在学习、吸收国内外先进施工技术的基础上，通过工艺创新、工法提炼，逐步形成了一整套先进的施工方法和工艺，在广西科技馆球幕影院网壳工程中获得成功应用，取得了较好的社会效益和经济效益。
现根据《网架结构设计与施工规程》（JGJ7-91）和《网壳结构技术规程》（JGJ61-2003），并结合本公司在该工程的实践，编制了焊接空心球单层球面网壳安装工法。
2.工法特点2.1本工法采用高空散装法，需根据球面形状搭设阶梯形满堂脚手架。
2.2不需要大型运输设备，垂直运输可利用现场搭式起重机。
2.3占用施工场地小，对施工场地要求低。
2.4球面网壳节点准确定位是关键，预埋件的准确安装，安装过程中构件的轴线位置、尺寸及节点坐标严格控制相当重要。
2.5施工速度块，工期短，施工成本低廉。
3.适用范围3.1 适用于焊接空心球单层网壳结构；3.2 施工场地狭小的工程，大型起重设备无法进入的工地3.3 安装作业位置高度高，吊装施工难度大的工程。
4.工艺原理4.1原理4.1.1由于球形网壳空心球节点多，杆件多。
所用焊接空心球，杆件均在专业厂家的车间内加工完毕，球及杆件运抵工地后，在地面组焊成小拼单元，然后吊装至高空总拼。
昆山花桥梦世界飞天影院单层球面网壳结构整体稳定性分析
昆山花桥梦世界飞天影院单层球面网壳结构整体稳定性分析王莺鹤【摘要】This article carries on geometric nonlinear finite element analysis i.e. load-deflection complete process analysiss for the pherical single-layer reticulated shell structure.%对于球形单层网壳结构进行考虑初始缺陷的几何非线性的有限元分析即荷载原位移全过程分析。
【期刊名称】《价值工程》【年(卷),期】2015(000)010【总页数】3页(P85-86,87)【关键词】大跨度空间钢结构;单层球面网壳;初始缺陷;整体稳定性分析【作者】王莺鹤【作者单位】上海江南建筑设计院有限公司，上海201800【正文语种】中文【中图分类】TU356本项目位于苏省昆山市花桥镇，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，III类场地。
根据建筑设计方案，飞天影院结构主体采用混凝土框架结构形式，外部采用单层球面网壳结构屋盖。
该屋盖由钢管钢结构构件旋转焊接构成空间大跨度屋盖，钢结构屋盖与影院主体混凝土部分脱开，仅在下部基础部分相连。
网壳结构最大处直径约52m，底部直径约为37m。
屋盖结构整体为轴向对称，四个方向对称布置入口，底部开设门洞处局部钢构件遇门洞时截断，其余部分为均匀布置。
球体顶部开设洞口用于通风排烟，顶部洞口直径约为8m，建筑物最高处约44m。
该工程建筑安全等级为一级，设计使用年限为50年，地基基础设计等级为乙级，无人防设计。
本项目单层球面网壳屋盖属于大跨度空间钢结构，根据建筑方案公司对网壳外形和杆件的特定要求，本文对影院的网壳屋盖进行整体稳定性分析。
本项目屋盖为单层网壳结构，形状为似球壳体，杆件以建筑花纹样式空间曲线交叉编织而成，为非正交交叉梁结构体系，每个交点上各杆件均以不同角度相交，但整个梁系相对于几何中心是对称的。
施威德勒型球面网壳的建模过程详解
施威德勒型球面网壳的建模过程详解1、问题描述：一球面半径20.0m，跨度35m，矢跨比1:3.5的单层球面网壳。
网桥结构所有杆件均采用Φ114.0×4.0的Φ235钢管。
建模过程中所有数据单位统一为N-mm制。
模型侧视图模型俯视图模型轴测图2、此问题拟采用ANSYS建模和受力分析。
3、施威德勒型球面网壳建模及分析命令流。
! 结构建模finish/clear/filename,schwedler/title,analysis of spherical reticulated-shell/prep7et,1,beam4r,1,1382,2093500,2093500,114,114,, rmore,,4187000,,,,,mp,dens,1,7.85e-9mp,ex,1,2.06e5mp,nuxy,1,0.3local,11,2,0,0,0cscir,11,1n,1,20000,0,30n,10,20000,180,30n,18,20000,340,30fill,1,10fill,10,18ngen,6,18,1,18,1,0,0,10n,109,20000,0,90*do,i,1,91,18e,i,i+1egen,17,1,i,i,1e,i+17,i*enddoe,1,19egen,5,18,109,109,1egen,18,1,109,113,1*do,i,91,108,1e,i,109*enddo*do,i,1,73,18e,i,i+19*enddoegen,17,1,217,221,1*do,i,18,90,18e,i,i+1*enddocsys,0nsel,s,loc,z,9900,10100d,all,,,,,,ux,uy,uz,,! 网壳结构的固有振动特性分析/solantype,modalmodopt,lanb,6modopt,lanb,6,0,0,,offsolvefinish/post1set,listset,firstpldisp,0anmode,10,0.5,,0set,nextpldisp,0anmode,10,0.5,,0set,nextpldisp,0anmode,10,0.5,,0set,nextpldisp,0anmode,10,0.5,,0set,nextpldisp,0anmode,10,0.5,,0set,nextpldisp,0anmode,10,0.5,,0finish！特征值屈曲分析nsel,allf,all,fz,-1.00/soluantype,0eqslv,sparpstres,onsolvefinish/soluantype,1bucopt,lanb,6,0,0maxpand,6,0,0,1,0.001,solvefinish/post1set,firstpldisp,2set,nextpldisp,2set,nextpldisp,2set,nextpldisp,2set,nextpldisp,2set,nextpldisp,2finish! 考虑初始缺陷的非线性屈曲分析/prep7tb,biso,1,1,2,tbtemp,0tbdata,,2.0e8,0,,,,upgeom,35,1,1,schwedler,rst,finish/solantype,0nlgeom,1outres,all,allarclen,1,0,0,arctrm,u,100,109,uznsubst,200,,,1solvefinish/post26nsol,2,109,u,z,deflectionrforce,3,1,f,z,reactionf/axlab,x,deflection/axlab,y,reactionfxvar,2plvar,3Finish4、可视化后处理及分析结果显示。
单层施威德勒型球面网壳屈曲路径全过程追踪
［ ］ ＋。 Ａ ｔ△ ｛ Ｐ｝＋ｔ ＫＴ ｔ△ ｛ ｕ｝＋ｔ △ ｔ△
（） ２
此时 ， 外荷 载增量 为 ｛ Ｐ｝＋ ７ ｛ 一 ｛ ｔ Ａ － Ｒ｝＋ｔ Ｆ｝ 。 式 中 ：Ｋ 、 Ａ ｝＋ 、 △ 分 别 为 结 构 ｒ 、 ＋ ｛ ｕ ｛ Ｐ｝＋ ］ 在 ￡ 时刻 的切 线 刚度 矩 阵 、 ＋△ 节点 位 移 向量 增 量 、 点荷 载 向量增量 。 节
Ｌａ ｒ Ｓｃ ｙｅ ｈｗｅ ｅ ｄｌ ｒ Ｓｐｈｅ ｉ ａ ｒ ｃ ｌＬａｔ ｉ ｅ ｔｃ ｄ Ｓｈｅ ｌ ｌｓ
ＬＩ Ｗｅ 。 ｉ Ｗ Ｌｅ ｉ
（ ． ｃ ｏ ｌ ｆＵｒ ａ ｏ ｓｒ ｃｉｎ ａ ｄ Ｓ ｆｔ ｎ ｎｅ ｒｎ Ｓ ａ ｇｈ ｉＩ ｓｉ ｅｏ ｃ ｎ ｌｇ Ｓ ａ ｇｈ ｉ ０ ４ ８ Ｃｈｎ １ Ｓ ｈ ｏ ｂ ｎ Ｃ ｎ ｔｕ ｔ ｎ ａ ｅｙ Ｅ ｇｉ ｅ ｉｇ， ｈ ｎ ａ ｎ ｔｔ ｆＴｅ ｈ ｏｏ ｙ， ｈ ｎ ａ １ １ ， ｉａ； ｏ ｏ ｕｔ ２
摘要 ： 以单层施 威德 勒球 面 网壳为研 究 对 象， 过使 用 Ａ Ｙ 通 ＮＳ Ｓ有 限元程 序 ， 用弧 长 法进行 利 结构 几何 非线性 计算 跟踪后 屈 曲平衡路 径 ， 出网 壳的失稳模 态和极 限稳定 承载 力 ， 究不 对 求 研
称加载对单层 网壳极限稳定承载力的影响规律 。研 究表 明： 弧长法是 网壳结构整体非线性分 析 的有 效方 法 ， 能有 效地 追踪 网 壳失稳 全过 程 ， 定极 限稳 定 承 载 力 ； 非 对称 荷 载 所 占比例 确 在
单层球面网壳结构选型优化设计的开题报告
单层球面网壳结构选型优化设计的开题报告一、研究背景及意义随着现代建筑结构技术的不断发展和完善，单层球面网壳结构在建筑领域中得到了广泛的应用。
单层球面网壳结构是以网格为主体，通过弯曲和张力来形成的一种新型结构形式，它具有结构轻、伸缩性好、形式美观等优点，被用于建筑中的大跨度结构和综合体等领域。
随着人们对建筑安全性和经济性的要求越来越高，单层球面网壳结构的选型和优化设计变得越来越重要。
因此，本研究旨在探讨单层球面网壳结构的选型优化设计方法，以提高其经济性、安全性和实用性。
二、研究内容和方法1. 研究现状：对单层球面网壳结构的发展历程、研究现状、应用领域等进行综述。
2. 网壳结构设计原理：介绍单层球面网壳结构的设计原理、力学特点以及相关建筑材料的性能指标等。
3. 选型方法：通过对单层球面网壳结构的选型方法分析，查找适合的选型算法，为优化设计提供参考。
4. 优化设计方法：针对单层球面网壳结构在安全性、经济性、实用性等方面存在的问题，采用优化设计方法来解决，提高结构性能以及在设计阶段的成本控制。
5. 实例分析：选取具有代表性的实际单层球面网壳结构工程，通过实例分析，验证本文提出的选型优化设计方法的可行性和有效性。
本研究将采用文献研究、案例分析、数学建模等多种研究方法。
通过对相关文献资料的搜集和整理，对已有单层球面网壳结构的例子进行资料归档、分类，并通过对工程验算、计算机模拟等方式对其进行评估以及验证所提出的研究结论。
三、预期成果和研究意义通过本研究，同时解决了单层球面网壳结构的选型和优化设计问题，为建筑行业提供可信可靠的工程设计方法，提高了工程的经济性、实用性和安全性，为促进我国建筑结构行业的发展提供了重要的研究基础。
同时，本研究也吸引了更多的学者、工程师和技术人员对单层球面网壳结构的发展和研究做出更多的贡献。
网壳结构建筑
网壳结构的引出
–中世纪,木材成为穹顶结构的主要覆盖材料; 到19 世纪, 铁的应用为穹顶的发展开创了一个新纪元, 使覆盖大跨 度建筑物成为可能。 – 近代, 钢筋混凝土结构理论的出现及应用使穹顶的厚度 大大降低, 薄壳穹顶受到人们的极大关注, 从而开辟了结 构工程新领域。 1922 年在德国耶拿建造了 土木工程史上第一座钢筋混 凝土薄壳结构----耶拿天文 馆, 其净跨为25m, 顶厚为 60. 3mm, 厚跨比大约为1/ 400.
中国网壳结构的发展
中国网壳结构的发展
– 我国的空间结构在上世纪50年代末较多地采用薄壳结 构、悬索结构，60年代中采用网架结构，80年代较多 地采用网壳结构，直到21世纪,这些比较传统的近代空 间结构,除薄壳结构外,均获得了长期蓬勃的发展,工程项 目遍布全国城镇各地。 – 网壳结构在我国解放初曾有所应用，当时主要是一类 联方型的网状筒壳，材料为型钢或木材跨度在30M左 右，如扬州苏北农学院体育馆、南京展览中心(551厂)、 上海长宁电影院屋盖结构等。
东莞市科技馆单层球面网壳设计与分析
Design and Analysis of Single-Layer Spherical Reticulated Shell of the Science and Technology Museum of Dongguan
GUO Xiaonong LUO Yongfeng WAN Yuerong
（Tongji University，Shanghai 200092）
2 . 997 5 . 223 2 . 894 4 . 454 3 . 861 6 . 370 3 . 306 5 . 773
3.2 几何非线性稳定分析 本文根据非线性有限元理论，采用一致模态
法对结构的整体稳定性进行了研究。一致模态法 认为：当单层网壳结构的初始缺陷分布与该结构 在所受某一荷载分布下的失稳模态（一般是第一 模态）一致时最为不利，因此假定初始缺陷分布 与失稳模态一致，在此基础上得出该荷载情况下 的极限荷载的下限值。这种方法将缺陷极端化，虽 过于保守，但很有参考价值，而且相对可行，因而
常常被采用。 根据《网壳结构技术规程》，初始几何位移偏
差对网壳的稳定性承载力的影响较大，应在验算 中考虑。节点安装位置偏差的空间分布是随机的， 一致模态法认为：当初始几何缺陷按最低屈曲模 态分布时，求得的稳定性承载力可能是最不利的。 根据规程规定，本文在计算中的最大初始几何位 移偏差取 D / 300 = 107mm（ D 为球壳直径）。
建立非线性有限元方程如下：
（［ K］L +［ K］NL）｛Δu｝= ｛ΔP｝ （ 2 ）
其中 ［ K］L——— 线弹性刚度矩阵； ［ K］NL——— 非线弹性刚度矩阵； ｛Δu｝——— 位移增量列向量； ｛ΔP｝——— 节点荷载列向量。
方程的求解采用了增量迭代法中应用最广泛 的牛顿 - 拉斐逊法和弧长法。荷载增量采用弧长 法自动加载。
单层球面网壳设计实例(已加密)
硕士研究生课程考试试卷硕士研究生课程考试试卷考试科目：大跨与空间钢结构考生姓名：许爱国考生学号：20101602009考生姓名：杨 丹考生学号：20101602024考生姓名：张 长考生学号：20101602084考生姓名：田真珍考生学号：20101602015学院：土木工程学院专业：土木工程（结构工程方向）考生成绩：90任课老师(签名) 崔佳考试日期：2011 年9月5日目 录录1设计资料 (1)1.1 设计题目 (1)1.2 设计参数 (1)2 设计分析软件 (2)2.1 分析软件简介 (2)2.2 软件分析步骤 (2)3 网壳结构设计计算 (3)3.1 设计基本要求 (3)3.2 计算分析方法 (3)3.3 结构模型建立 (4)3.4 节点与单元属性设置 (5)3.5 材料参数设置 (6)3.6 施加约束和荷载 (7)3.7 软件初步分析设计 (11)3.8 结构动力分析 (14)3.9 竖向和水平地震作用抗震验算 (19)3.10 结构风振系数计算 (21)3.11 支座节点及檩条设计说明 (21)4 网壳结构计算结果信息 (22)4.1 网壳结构各杆件内力 (22)4.2 网壳结构挠度验算 (23)4.3 杆件与球节点配置及材料表 (25)4.4 图纸生成说明 (25)5 设计结果分析 (26)5.1 单层球面网壳设计结果概述 (26)5.2单层球面网壳整体稳定性分析简述 (27)5.3 网壳结构设计中的几个问题 (29)参考文献 (30)附录 (31)1 设计资料1.1 设计题目设计一单层球面网壳，网壳直径为20m，矢高7m，周边支承在钢筋混凝土柱及圈梁上，钢筋混凝土柱沿周边每20°一个均匀布置，柱截面尺寸为400mm×700mm，柱顶及圈梁顶标高为15.2m，圈梁截面尺寸为400mm×600mm。
网壳上搭设檩条，屋面板采用压型钢板。
1.2 设计参数1.2.1 静荷载网壳自重：网壳结构的自重包括钢管杆件和焊接空心球节点（或螺栓球节点）的重量，可由计算机分析软件程序自动生成。
铝合金单层球面网壳结构阻尼特性
铝合金单层球面网壳结构阻尼特性作者：罗晓群张锦东张晋徐洪俊张其林来源：《湖南大学学报·自然科学版》2020年第07期摘要：通过现场实测对铝合金板式节点单层球面网壳结构的阻尼比进行了分析研究. 针对一平面尺寸45 m×45 m，矢高2.86 m的铝合金板式节点单层球面网壳结构，设计了11种工况，通过现场实测采集了160条人工激励下的节点加速度自由衰减振动信号以及6条环境激励下的节点加速度振动信号，采用解析模态分解法（AMD）结合希尔伯特变换识别结构的自振频率和阻尼比. 对所得数据进行分析，建议铝合金板式节点单层球面网壳的结构阻尼比取4%. 运用实测阻尼比数据建立有限元模型分析结构动力响应，对应实测节点加速度响应曲线和有限元计算得到的响应曲线吻合较好，所测得阻尼值可为现行规范修订提供依据，为结构动力分析与工程设计提供参考.关键词：铝合金;单层球面网壳;板式节点;解析模态分解;模态振动测试;阻尼比中图分类号：TU395 文献标志码：AAbstract：The damping ratio on aluminum alloy single layer spherical reticulated shells with plate-type joints was studied by field measurement. For an aluminum alloy spherical latticed shell with a planar dimension of 45m×45m and a rise of 2.86m， a total of 11 test cases were planned and 160 acceleration damped free vibration signals were collected on site under human-induced excitations as well as 6 vibration signals under environmental excitations. Using the method of analytical modal decomposition （AMD） combined with the Hilbert transform， natural frequencies and modal damping ratio of the structure were identified. Statistic studies were carried out and an average damping ratio of 4% was suggested for this kind of structures. Finite element （FE）models were established using the suggested damping ratio， and the nodal dynamic responses given by numerical analysis showed good consistency with those given by the tests. The damping ratio given here could give a basis for the revision of the current code and provide a reference for the structural dynamic analysis and engineering design.Key words：aluminum alloys;single layer spherical latticed shells;plate-type gussetjoints;analytical modal decomposition;modal vibration testing;damping ratio20世紀90年代以来，以网壳和网架结构为主的铝合金结构在我国的应用逐渐增多[1]，单层网壳结构是最常见的大跨度铝合金结构形式，其结构特点是以薄膜内力为主;结构由三向网格构成;杆件多采用H型截面挤压型材;节点采用板式节点[2]. 针对铝合金结构的板式节点受力特性[3]、破坏机理[4-5]、节点刚度和承载力[6]，国内外学者展开了相关研究并取得诸多成果. 针对铝合金板式节点网壳结构的静力承载性能的研究也趋于完善[7].相对于钢网壳，铝合金板式节点单层网壳阻尼特性的研究还处于初步阶段[8]. 相比试验模型网壳，对已建成的铝合金板式节点单层网壳的阻尼特性进行研究更具理论和工程应用价值. 本文对一已建成的铝合金板式节点单层球面网壳进行现场实测，结合结构模态分析选取激励点和采集点，设计了11个工况，采集了在跳跃激励下各网壳测点的自由衰减振动响应以及环境激励下网壳测点的振动响应，对各测点的加速度响应进行模态参数识别，得到各阶自振频率和模态阻尼比，对所得数据进行统计分析，得出了铝合金板式节点单层球面网壳的阻尼比均值. 运用所得阻尼参数对结构有限元模型的动力响应进行分析，验证实测节点加速度响应曲线和有限元分析结果的吻合度.1 现场试验1.1 结构概况对上海崇明体育中心训练馆的铝合金屋盖结构进行现场实测. 该屋盖为铝合金板式节点单层球面网壳结构，下部混凝土结构. 铝合金单层球面网壳平面尺寸45 m × 45 m，矢高2.86 m，杆件采用挤压H型铝材制作，截面尺寸为H320 mm × 180 mm × 8 mm × 10 mm. 网壳所有非支座节点均为板式节点. 网壳所有构件和节点板材均为6061-T6型铝合金. 网壳结构采用一体化铝板系统蒙皮，蒙皮结构由外层铝板和内层保温隔汽层组成. 网壳整体照片和节点照片见图1.1.2 测试方案采用两种方法对网壳进行现场测试：1）测试人员跳跃对网壳施加近似的竖向冲击荷载，采用锤击对网壳施加近似水平向冲击荷载，采集网壳的自由衰减振动响应;2）采集网壳在自然环境激励下的振动响应. 测试网壳的矢跨比较小，网壳以竖向振动为主，主要采集网壳各节点的竖向振动，次要采集网壳各节点的水平向振动.为测得尽可能大的振动响应，提高采集信号的信噪比，在测点选取前采用有限元分析软件ANSYS进行模态分析. ANSYS中有限元模型几何尺寸、构件截面、构件材料与实际结构相同. 模型中杆件采用梁单元模拟;采用附加在节点的质量单元考虑蒙皮结构对结构动力特性的影响，折算为80 kg/点;模型中非支座节点刚接，支座节点固接. 模态分析得到的结构前6阶振型如图2所示. 选取前6阶模态中振动显著部位布置采集点和激励点，采集点和激励点布置见图3. 前6阶有限元模型的自振频率以及根据模态分析结果确定的测试方案列于表1. 表1中测试方案命名规则如下：A1-A2代表竖向激励点，B1-B2代表水平Y向激励点，C1-C2代表水平X 向激励点，点1-点7为加速度测点. 例如，A1-1-3代表在A1点施加竖向激励，采集1点和3点的自由衰减加速度响应;A1A2-1-2代表在A1和A2同时施加竖向激励，采集1点和2点的自由衰减加速度响应. *C-1-2-3代表在采集点1、2、3点处采集环境激励下的网壳竖向振动响应.现场测试共计11个工况，包含3个环境激励和8个人工激励. 在环境激励下，每个测点采集15 min振动响应;在人工激励下，采集测点的自由衰减加速度响应，每个激励点人工激励10次，测试人员在网壳节点处跳跃对网壳施加竖向激励，采用橡胶锤垂直于网壳节点敲击对网壳施加水平向激励. 现场采集设备为东方所3062T型采集仪，设定采样频率为256 Hz;加速度传感器采用朗斯LC0132T型加速度传感器，灵敏度50 000 mV/g，量程0.1 g，頻率范围0.05 ～ 500 Hz，分辨率0.000 000 4 g，频率范围、量程范围、频率分辨率等均符合待测结构的振动特性.现场测试见图4. 图5展示了现场采集的A1-1工况下的1条竖直向响应曲线和B1-4工况下的1条水平向响应曲线.2 结构模态参数识别方法2.1 解析模态分解法解析模态分解（AMD）法是Chen等[9]提出的一种新方法. 与Huang等提出的希尔伯特-黄变换（HHT）中的经验模态分解（EMD）[10]相比，AMD法具有相似的功能，但在处理密集模态结构的频率混叠、窄带信号以及信号间歇性波动等方面效果明显较好，在模态识别方面应用效果良好[11].对于多个密集频率信号叠加的复杂信号，AMD法通过构造一对具有相同特定时变频率的正交函数，并利用这对时变正交函数与原信号乘积的希尔伯特变换把在频率时间平面内低于正交函数时变频率的任意信号分解出来.2.2 网壳模态参数识别铝合金板式节点单层网壳具有自振频率低、模态密集的特性. 利用AMD法处理现场采集的结构振动信号，可将低频、密集的多模态信号分解为一系列只含单模态特征的子信号. 对于多模态的自由衰减振动信号，经解析模态分解后信号可被直接分解为一系列单模态自由衰减振动响应信号;对于在平稳随机的环境激励下的多模态振动响应信号，经解析模态分解后可得到一系列单模态特征的子信号，此时可利用随机减量技术[12]消除子信号中随机响应的影响，得到单模态自由衰减响应信号. 处理后得到的单模态自由衰减响应信号均可表示为：3 模态识别3.1 模态识别过程AMD法本质上是利用希尔伯特变换将具有特定频率成分的信号分解出来，根据设定的截断频率可在多模态信号中准确地分解单模态信号. 本节以A1-1工况下的1条加速度时程曲线（图5（a））为例介绍应用AMD法提取各单模态信号而后利用希尔伯特变换进行结构模态参数识别的流程.图5（a）中加速度曲线频谱图如图6所示. 按照图6中的频谱峰值由低到高设置7个截断频率，使用AMD法将原始信号分解为8阶子信号. 8阶子信号的频谱图如图7所示. 图7（a）为采集信号中的趋势项[14]，不包含任何模态信息;图7（h）为高于第6阶的模态信息的信号与采集系统中的高频噪声的混合;图7（b）～（g）为结构前6阶模态的单模态频谱图.虽然在解析模态分解法中仅在式（3）和式（6）中调用2次希尔伯特变换，但仍会因为有限长度的傅里叶变换造成端部的频率泄露，造成较大的拟合误差，因此在分析中采用镜像沿拓[15]对希尔伯特变换产生的端点效应进行抑制，减少解析模态分解中产生的端点效应对拟合精度的影响. 图8为经AMD法分解后获取的结构前6阶模态的单模态响应曲线. 单模态响应曲线的瞬时幅值以实线表示，按照式（11）对曲线瞬时幅值进行拟合，拟合曲线以虚线表示.3.2 模态识别结果统计分析对每一次激励后采集的自由衰减振动曲线以上文所述的相同处理方式进行模态识别，共处理8个工况下80次跳跃激励下采集到的160条自由衰减振动曲线. 对模态识别结果进行统计分析，160次各阶模态自振频率f识别结果的散点图及其平均值如图9所示，绘制模态阻尼ξ的频率直方图如图10所示，图10中纵坐标f表示在某区间的模态阻尼出现频率. 各阶自振频率的离散性较小，取平均值作为模态识别的最终结果.图10直方图显示，各阶模态阻尼比分布在较宽的区间内且呈现一定离散性，参考类似空间结构的阻尼比取值方式[16]，取人工激励下的各阶模态阻尼比平均值作为网壳的模态阻尼比.在对环境激励下的信号进行结构模态参数识别时，需要在AMD法后采用随机减量技术提取单模态的自由衰减振动曲线，之后与人工激励下的结构模态参数识别流程相同. 表3中列出了人工激励下的结构模态参数识别结果、环境激励下的结构模态参数识别结果和有限元模态分析结果.1.2 测试方案采用两种方法对网壳进行现场测试：1）测试人员跳跃对网壳施加近似的竖向冲击荷载，采用锤击对网壳施加近似水平向冲击荷载，采集网壳的自由衰减振动响应;2）采集网壳在自然环境激励下的振动响应. 测试网壳的矢跨比较小，网壳以竖向振动为主，主要采集网壳各节点的竖向振动，次要采集网壳各节点的水平向振动.为测得尽可能大的振动响应，提高采集信号的信噪比，在测点选取前采用有限元分析软件ANSYS进行模态分析. ANSYS中有限元模型几何尺寸、构件截面、构件材料与实际结构相同. 模型中杆件采用梁单元模拟;采用附加在节点的质量单元考虑蒙皮结构对结构动力特性的影响，折算为80 kg/点;模型中非支座节点刚接，支座节点固接. 模态分析得到的结构前6阶振型如图2所示. 选取前6阶模态中振动显著部位布置采集点和激励点，采集点和激励点布置见图3. 前6阶有限元模型的自振频率以及根据模态分析结果确定的测试方案列于表1. 表1中测试方案命名规则如下：A1-A2代表竖向激励点，B1-B2代表水平Y向激励点，C1-C2代表水平X 向激励点，点1-点7为加速度测点. 例如，A1-1-3代表在A1点施加竖向激励，采集1点和3点的自由衰减加速度响应;A1A2-1-2代表在A1和A2同时施加竖向激励，采集1点和2点的自由衰减加速度响应. *C-1-2-3代表在采集点1、2、3点处采集环境激励下的网壳竖向振动响应.现场测试共计11个工况，包含3个环境激励和8个人工激励. 在环境激励下，每个测点采集15 min振动响应;在人工激励下，采集测点的自由衰减加速度响应，每个激励点人工激励10次，测试人员在网壳节点处跳跃对网壳施加竖向激励，采用橡胶锤垂直于网壳节点敲击对网壳施加水平向激励. 现场采集设备为东方所3062T型采集仪，设定采样频率为256 Hz;加速度传感器采用朗斯LC0132T型加速度传感器，灵敏度50 000 mV/g，量程0.1 g，频率范围0.05 ～ 500 Hz，分辨率0.000 000 4 g，频率范围、量程范围、频率分辨率等均符合待测结构的振动特性. 现场测试见图4. 图5展示了现场采集的A1-1工况下的1条竖直向响应曲线和B1-4工况下的1条水平向响应曲线.2 结构模态参数识别方法2.1 解析模态分解法解析模态分解（AMD）法是Chen等[9]提出的一種新方法. 与Huang等提出的希尔伯特-黄变换（HHT）中的经验模态分解（EMD）[10]相比，AMD法具有相似的功能，但在处理密集模态结构的频率混叠、窄带信号以及信号间歇性波动等方面效果明显较好，在模态识别方面应用效果良好[11].对于多个密集频率信号叠加的复杂信号，AMD法通过构造一对具有相同特定时变频率的正交函数，并利用这对时变正交函数与原信号乘积的希尔伯特变换把在频率时间平面内低于正交函数时变频率的任意信号分解出来.2.2 网壳模态参数识别铝合金板式节点单层网壳具有自振频率低、模态密集的特性. 利用AMD法处理现场采集的结构振动信号，可将低频、密集的多模态信号分解为一系列只含单模态特征的子信号. 对于多模态的自由衰减振动信号，经解析模态分解后信号可被直接分解为一系列单模态自由衰减振动响应信号;对于在平稳随机的环境激励下的多模态振动响应信号，经解析模态分解后可得到一系列单模态特征的子信号，此时可利用随机减量技术[12]消除子信号中随机响应的影响，得到单模态自由衰减响应信号. 处理后得到的单模态自由衰减响应信号均可表示为：3 模态识别3.1 模态识别过程AMD法本质上是利用希尔伯特变换将具有特定频率成分的信号分解出来，根据设定的截断频率可在多模态信号中准确地分解单模态信号. 本节以A1-1工况下的1条加速度时程曲线（图5（a））为例介绍应用AMD法提取各单模态信号而后利用希尔伯特变换进行结构模态参数识别的流程.图5（a）中加速度曲线频谱图如图6所示. 按照图6中的频谱峰值由低到高设置7个截断频率，使用AMD法将原始信号分解为8阶子信号. 8阶子信号的频谱图如图7所示. 图7（a）为采集信号中的趋势项[14]，不包含任何模态信息;图7（h）为高于第6阶的模态信息的信号与采集系统中的高频噪声的混合;图7（b）～（g）为结构前6阶模态的单模态频谱图.虽然在解析模态分解法中仅在式（3）和式（6）中调用2次希尔伯特变换，但仍会因为有限长度的傅里叶变换造成端部的频率泄露，造成较大的拟合误差，因此在分析中采用镜像沿拓[15]对希尔伯特变换产生的端点效应进行抑制，减少解析模态分解中产生的端点效应对拟合精度的影响. 图8为经AMD法分解后获取的结构前6阶模态的单模态响应曲线. 单模态响应曲线的瞬时幅值以实线表示，按照式（11）对曲线瞬时幅值进行拟合，拟合曲线以虚线表示.3.2 模态识别结果统计分析对每一次激励后采集的自由衰减振动曲线以上文所述的相同处理方式进行模态识别，共处理8个工况下80次跳跃激励下采集到的160条自由衰减振动曲线. 对模态识别结果进行统计分析，160次各阶模态自振频率f识别结果的散点图及其平均值如图9所示，绘制模态阻尼ξ的频率直方图如图10所示，图10中纵坐标f表示在某区间的模态阻尼出现频率. 各阶自振频率的离散性较小，取平均值作为模态识别的最终结果.图10直方图显示，各阶模态阻尼比分布在较宽的区间内且呈现一定离散性，参考类似空间结构的阻尼比取值方式[16]，取人工激励下的各阶模态阻尼比平均值作为网壳的模态阻尼比.在对环境激励下的信号进行结构模态参数识别时，需要在AMD法后采用随机减量技术提取单模态的自由衰减振动曲线，之后与人工激励下的结构模态参数识别流程相同. 表3中列出了人工激励下的结构模态参数识别结果、环境激励下的结构模态参数识别结果和有限元模态分析结果.1.2 测试方案采用两种方法对网壳进行现场测试：1）測试人员跳跃对网壳施加近似的竖向冲击荷载，采用锤击对网壳施加近似水平向冲击荷载，采集网壳的自由衰减振动响应;2）采集网壳在自然环境激励下的振动响应. 测试网壳的矢跨比较小，网壳以竖向振动为主，主要采集网壳各节点的竖向振动，次要采集网壳各节点的水平向振动.为测得尽可能大的振动响应，提高采集信号的信噪比，在测点选取前采用有限元分析软件ANSYS进行模态分析. ANSYS中有限元模型几何尺寸、构件截面、构件材料与实际结构相同. 模型中杆件采用梁单元模拟;采用附加在节点的质量单元考虑蒙皮结构对结构动力特性的影响，折算为80 kg/点;模型中非支座节点刚接，支座节点固接. 模态分析得到的结构前6阶振型如图2所示. 选取前6阶模态中振动显著部位布置采集点和激励点，采集点和激励点布置见图3. 前6阶有限元模型的自振频率以及根据模态分析结果确定的测试方案列于表1. 表1中测试方案命名规则如下：A1-A2代表竖向激励点，B1-B2代表水平Y向激励点，C1-C2代表水平X 向激励点，点1-点7为加速度测点. 例如，A1-1-3代表在A1点施加竖向激励，采集1点和3点的自由衰减加速度响应;A1A2-1-2代表在A1和A2同时施加竖向激励，采集1点和2点的自由衰减加速度响应. *C-1-2-3代表在采集点1、2、3点处采集环境激励下的网壳竖向振动响应.现场测试共计11个工况，包含3个环境激励和8个人工激励. 在环境激励下，每个测点采集15 min振动响应;在人工激励下，采集测点的自由衰减加速度响应，每个激励点人工激励10次，测试人员在网壳节点处跳跃对网壳施加竖向激励，采用橡胶锤垂直于网壳节点敲击对网壳施加水平向激励. 现场采集设备为东方所3062T型采集仪，设定采样频率为256 Hz;加速度传感器采用朗斯LC0132T型加速度传感器，灵敏度50 000 mV/g，量程0.1 g，频率范围0.05 ～ 500 Hz，分辨率0.000 000 4 g，频率范围、量程范围、频率分辨率等均符合待测结构的振动特性. 现场测试见图4. 图5展示了现场采集的A1-1工况下的1条竖直向响应曲线和B1-4工况下的1条水平向响应曲线.2 结构模态参数识别方法2.1 解析模态分解法解析模态分解（AMD）法是Chen等[9]提出的一种新方法. 与Huang等提出的希尔伯特-黄变换（HHT）中的经验模态分解（EMD）[10]相比，AMD法具有相似的功能，但在处理密集模态结构的频率混叠、窄带信号以及信号间歇性波动等方面效果明显较好，在模态识别方面应用效果良好[11].对于多个密集频率信号叠加的复杂信号，AMD法通过构造一对具有相同特定时变频率的正交函数，并利用这对时变正交函数与原信号乘积的希尔伯特变换把在频率时间平面内低于正交函数时变频率的任意信号分解出来.2.2 网壳模态参数识别铝合金板式节点单层网壳具有自振频率低、模态密集的特性. 利用AMD法处理现场采集的结构振动信号，可将低频、密集的多模态信号分解为一系列只含单模态特征的子信号. 对于多模态的自由衰减振动信号，经解析模态分解后信号可被直接分解为一系列单模态自由衰减振动响应信号;对于在平稳随机的环境激励下的多模态振动响应信号，经解析模态分解后可得到一系列单模态特征的子信号，此时可利用随机减量技术[12]消除子信号中随机响应的影响，得到单模态自由衰减响应信号. 处理后得到的单模态自由衰减响应信号均可表示为：3 模态识别3.1 模态识别过程AMD法本质上是利用希尔伯特变换将具有特定频率成分的信号分解出来，根据设定的截断频率可在多模态信号中准确地分解单模态信号. 本节以A1-1工况下的1条加速度时程曲线（图5（a））为例介绍应用AMD法提取各单模态信号而后利用希尔伯特变换进行结构模态参数识别的流程.图5（a）中加速度曲线频谱图如图6所示. 按照图6中的频谱峰值由低到高设置7个截断频率，使用AMD法将原始信号分解为8阶子信号. 8阶子信号的频谱图如图7所示. 图7（a）为采集信号中的趋势项[14]，不包含任何模态信息;图7（h）为高于第6阶的模态信息的信号与采集系统中的高频噪声的混合;图7（b）～（g）为结构前6阶模态的单模态频谱图.虽然在解析模态分解法中仅在式（3）和式（6）中调用2次希尔伯特变换，但仍会因为有限长度的傅里叶变换造成端部的频率泄露，造成较大的拟合误差，因此在分析中采用镜像沿拓[15]对希尔伯特变换产生的端点效应进行抑制，减少解析模态分解中产生的端点效应对拟合精度的影响. 图8为经AMD法分解后获取的结构前6阶模态的单模态响应曲线. 单模态响应曲线的瞬时幅值以实线表示，按照式（11）对曲线瞬时幅值进行拟合，拟合曲线以虚线表示.3.2 模态识别结果统计分析对每一次激励后采集的自由衰减振动曲线以上文所述的相同处理方式进行模态识别，共处理8个工况下80次跳跃激励下采集到的160条自由衰减振动曲线. 对模态识别结果进行统计分析，160次各阶模态自振频率f识别结果的散点图及其平均值如图9所示，绘制模态阻尼ξ的频率直方图如图10所示，图10中纵坐标f表示在某区间的模态阻尼出现频率. 各阶自振频率的离散性较小，取平均值作为模态识别的最终结果.图10直方图显示，各阶模态阻尼比分布在较宽的区间内且呈现一定离散性，参考类似空间结构的阻尼比取值方式[16]，取人工激励下的各阶模态阻尼比平均值作为网壳的模态阻尼比.在对环境激励下的信号进行结构模态参数识别时，需要在AMD法后采用随机减量技术提取单模态的自由衰减振动曲线，之后与人工激励下的结构模态参数识别流程相同. 表3中列出了人工激励下的结构模态参数识别结果、环境激励下的结构模态参数识别结果和有限元模态分析结果.1.2 测试方案采用两种方法对网壳进行现场测试：1）测试人员跳跃对网壳施加近似的竖向冲击荷载，采用锤击对网壳施加近似水平向冲击荷载，采集网壳的自由衰减振动响应;2）采集网壳在自然环境激励下的振动响应. 测试网壳的矢跨比较小，网壳以竖向振动为主，主要采集网壳各节点的竖向振动，次要采集网壳各节点的水平向振动.为测得尽可能大的振动响应，提高采集信号的信噪比，在测点选取前采用有限元分析软件ANSYS进行模态分析. ANSYS中有限元模型几何尺寸、构件截面、构件材料与实际结构相同. 模型中桿件采用梁单元模拟;采用附加在节点的质量单元考虑蒙皮结构对结构动力特性的影响，折算为80 kg/点;模型中非支座节点刚接，支座节点固接. 模态分析得到的结构前6阶振型如图2所示. 选取前6阶模态中振动显著部位布置采集点和激励点，采集点和激励点布置见图3. 前6阶有限元模型的自振频率以及根据模态分析结果确定的测试方案列于表1. 表1中测试方案命名规则如下：A1-A2代表竖向激励点，B1-B2代表水平Y向激励点，C1-C2代表水平X 向激励点，点1-点7为加速度测点. 例如，A1-1-3代表在A1点施加竖向激励，采集1点和3点的自由衰减加速度响应;A1A2-1-2代表在A1和A2同时施加竖向激励，采集1点和2点的自由衰减加速度响应. *C-1-2-3代表在采集点1、2、3点处采集环境激励下的网壳竖向振动响应.现场测试共计11个工况，包含3个环境激励和8个人工激励. 在环境激励下，每个测点采集15 min振动响应;在人工激励下，采集测点的自由衰减加速度响应，每个激励点人工激励10次，测试人员在网壳节点处跳跃对网壳施加竖向激励，采用橡胶锤垂直于网壳节点敲击对网壳施加水平向激励. 现场采集设备为东方所3062T型采集仪，设定采样频率为256 Hz;加速度传感器采用朗斯LC0132T型加速度传感器，灵敏度50 000 mV/g，量程0.1 g，频率范围0.05 ～ 500 Hz，分辨率0.000 000 4 g，频率范围、量程范围、频率分辨率等均符合待测结构的振动特性. 现场测试见图4. 图5展示了现场采集的A1-1工况下的1条竖直向响应曲线和B1-4工况下的1条水平向响应曲线.2 结构模态参数识别方法2.1 解析模态分解法解析模态分解（AMD）法是Chen等[9]提出的一种新方法. 与Huang等提出的希尔伯特-黄变换（HHT）中的经验模态分解（EMD）[10]相比，AMD法具有相似的功能，但在处理密集模态结构的频率混叠、窄带信号以及信号间歇性波动等方面效果明显较好，在模态识别方面应用效果良好[11].对于多个密集频率信号叠加的复杂信号，AMD法通过构造一对具有相同特定时变频率的正交函数，并利用这对时变正交函数与原信号乘积的希尔伯特变换把在频率时间平面内低于正交函数时变频率的任意信号分解出来.2.2 网壳模态参数识别。
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硕士研究生课程考试试卷硕士研究生课程考试试卷考试科目：大跨与空间钢结构考生姓名：许爱国考生学号：20101602009考生姓名：杨 丹考生学号：20101602024考生姓名：张 长考生学号：20101602084考生姓名：田真珍考生学号：20101602015学院：土木工程学院专业：土木工程（结构工程方向）考生成绩：90任课老师(签名) 崔佳考试日期：2011 年9月5日目 录录1设计资料 (1)1.1 设计题目 (1)1.2 设计参数 (1)2 设计分析软件 (2)2.1 分析软件简介 (2)2.2 软件分析步骤 (2)3 网壳结构设计计算 (3)3.1 设计基本要求 (3)3.2 计算分析方法 (3)3.3 结构模型建立 (4)3.4 节点与单元属性设置 (5)3.5 材料参数设置 (6)3.6 施加约束和荷载 (7)3.7 软件初步分析设计 (11)3.8 结构动力分析 (14)3.9 竖向和水平地震作用抗震验算 (19)3.10 结构风振系数计算 (21)3.11 支座节点及檩条设计说明 (21)4 网壳结构计算结果信息 (22)4.1 网壳结构各杆件内力 (22)4.2 网壳结构挠度验算 (23)4.3 杆件与球节点配置及材料表 (25)4.4 图纸生成说明 (25)5 设计结果分析 (26)5.1 单层球面网壳设计结果概述 (26)5.2单层球面网壳整体稳定性分析简述 (27)5.3 网壳结构设计中的几个问题 (29)参考文献 (30)附录 (31)1 设计资料1.1 设计题目设计一单层球面网壳，网壳直径为20m，矢高7m，周边支承在钢筋混凝土柱及圈梁上，钢筋混凝土柱沿周边每20°一个均匀布置，柱截面尺寸为400mm×700mm，柱顶及圈梁顶标高为15.2m，圈梁截面尺寸为400mm×600mm。
网壳上搭设檩条，屋面板采用压型钢板。
1.2 设计参数1.2.1 静荷载网壳自重：网壳结构的自重包括钢管杆件和焊接空心球节点（或螺栓球节点）的重量，可由计算机分析软件程序自动生成。
附加恒载：檩条、压型钢板和灯具重量取2kN m。
0.65/1.2.2 活荷载本工程屋面为不上人屋面，根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）(2006年版)第4.3.1条规定，屋面均布活荷载标准值取为2kN m。
屋面均布活荷载不应0.5/与雪荷载同时考虑，取二者的较大值，此处不考虑雪荷载。
基本风压取20.4/kN m，本工程不考虑积灰荷载和吊车荷载。
1.2.3 温度作用此处的温度作用仅指分析软件用到的温度差，即结构施工安装时的温度与使用过程中温度的最大差值，此处取为-25℃~25℃。
1.2.4 地震作用本工程所在场地的抗震设防烈度为8度，场地类别为Ⅱ类，根据《空间网格结构技术规程》（JGJ7-2010）第4.4.2条规定，本工程单层球面网壳结构需要进行竖向和水平抗震验算。
1.2.5 结构材料网壳结构杆件对钢材材质的要求与普通钢结构相同，本工程采用Q235B钢。
网壳杆件截面形式有圆钢管、方钢管、角钢及H型钢等，由于圆钢管相对回转半径大和截面特性无方向性，对受压和受扭有利，一般情况下，圆钢管截面比其他型钢截面可节约20%的用钢量，当有条件时应优先采用薄壁圆管形截面，圆钢管可采用高频电焊钢管（即有缝管）或无缝钢管，其中高频电焊钢管较无缝钢管造价低且壁薄，设计时应优先使用，故本工程采用高频电焊圆钢管。
网壳结构下部的钢筋混凝土柱及圈梁的混凝土强度等级采用C30。
2设计分析软件2.1分析软件简介本工程单层球面网壳结构的设计主要采用理论分析与专业软件计算相结合的形式完成。
与计算机技术密切相关的有限元法是空间网格结构最为有效、也是最精确的分析计算方法，目前，用于结构分析设计的通用有限元分析软件有ANSYS、ABQUS、ADINA、MIDAS和SAP2000等，国内比较普遍采用的空间网格结构计算机辅助设计专业软件有MSTCAD（轻软登字第001号）、SFCAD（轻软登字第002号）和MSGS （轻软登字第003号）等。
2.2 软件分析步骤本工程单层球面网壳结构主要采用由浙江大学空间结构研究中心开发的空间网格结构计算机辅助设计专业软件MSTCAD2008进行分析计算。
该软件用于设计的基本步骤包括：1）根据实际情况，建模时可选取“标准网格”的网格形式，输入相关数据；2）对标准网格进行调整，可以利用“坐标移动”、“起坡”、“复制”、“增加节点”、“删除节点”、“增加杆件”、“删除杆件”等等菜单；3）如果有梁柱单元，设定“杆件属性”、“节点属性”；4）添加约束、荷载，如果要考虑温度应力和地震作用，可以在“综合信息”中输入；5）设定杆件截面库规格和球节点规格；6）在“设计信息”中设定材料设计强度，选定节点类型；7）设定工况组合以及相应的分项系数；8）进行“满应力设计”。
如果确定截面，则直接进行“验算不调整”；9）查看各工况下的计算结果，如杆件轴力、节点位移、支座反力等，选择“显示设置”菜单；10）设置“配件材料库”；11）杆件截面确定之后，对于螺栓球节点网架，进行“高强螺栓设计”，然后进行“球节点设计”。
而对于焊接球节点，则直接进行“球节点设计”；12）进行“支座节点设计”；13）可以进行施工图绘制过程。
对于[企业版]用户，可以不需要施工图，而直接进行加工图绘制；14）在加工图绘制之前，应先进行“节点螺孔角度计算”，但对于焊接球网架，不需要此项工作；15）图纸绘制包括“绘图综合信息”输入→“布图”→“图纸生成”→“预演”→“转存DWG文件”。
3 网壳结构设计计算3.1 设计基本要求网壳结构是将杆件沿着某个曲面有规律的布置而组成的空间结构体系，其受力特点与薄壳结构类似，是以“薄膜”作用为主要受力特征的，即大部分荷载由网壳杆件的轴向力承受。
网壳结构属于一种曲面型网格结构，有杆系结构构造简单和薄壳结构受力合理的特点。
在设计过程中，需要考虑受力特性及多种荷载的影响，从而准确的获得合理的设计结果。
网壳结构类型很多，按曲面外形分类有柱面网壳、球面网壳，双曲扁网壳、扭曲面网壳、单块扭网壳和双曲抛物面网壳等，其中又可以分为单层和双层的。
网壳结构的选型应遵循安全、经济、美观的设计原则，能够满足建筑的使用功能要求，并且能够充分发挥结构良好的受力性能，根据使用功能、建筑美学、空间声学、跨度大小、刚度要求、平面形状、荷载大小及分布、支承条件、屋面构造与材料、节点体系与制作安装方法以及技术经济指标等综合考虑。
本工程采用的是单层球面网壳，仅适用于中小跨度，其形式又有多样性，按网格划分主要有肋环型球面网壳、施威得勒型球面网壳、葵花型球面网壳（联方型球面网壳）、三向网格型球面网壳、凯威特型球面网壳（扇形三向网格型球面网壳）和短程线型球面网壳。
网壳结构的网格在构造上当跨度小于50m时可取1.5~3.0m，网壳相邻杆件间的夹角宜大于30°。
根据《空间网格结构技术规程》（JGJ7-2010）第4.1.7条规定，网壳结构的支承条件可以根据支座节点的位置、数量和构造情况以及支承结构的刚度确定。
对于单层球面网壳可采用不动铰接支座、刚接支座或弹性支座。
网壳结构的支承必须保证在任意竖向和水平荷载作用下结构的几何不变性和各种网壳计算模型对支承条件的要求。
3.2 计算分析方法网壳结构应进行在外荷载作用下的内力、位移计算和必要的稳定性计算，并应根据具体情况，对地震作用、温度应力变化、支座沉降及施工安装荷载等作用下的内力、位移进行计算。
网壳结构内力和位移计算时认为材料是线弹性的，不考虑弹塑性及塑性的影响，网壳结构的稳定性计算由于位移较大要考虑结构的几何非线性影响，如果在全过程分析中需要更加准确的获取结构的稳定承载力，则需要进一步考虑材料的弹塑性性能。
网壳结构是一个准柔性的高次超静定结构，网壳结构的分析不仅仅是强度的分析，通常还必须包括刚度和稳定性的分析。
在某些条件下，结构的刚度和稳定性甚至比强度更为重要。
此外，在既定荷载下结构力流的分析、导向和控制也与结构外形设计及刚度的分配密切相关，分析的基础仍然是基于经典弹性理论。
网壳结构的计算方法较多，比较常用的和有效的计算方法包括：空间杆系有限元法、空间梁系有限元法和拟壳分析法。
有限元法可以用来分析不同类型、具有任意平面和几何外形、具有不同的支承方式及不同的边界条件、承受不同类型外荷载的网壳结构。
有限元单元法不仅可以用于网壳结构的静力分析，还可用于动力分析、抗震分析及非线性稳定全过程分析。
对于该计算方法可以自编程序或利用前面述及的有限元分析软件在计算机上进行运算。
对于单层球面网壳的内力、位移和稳定性计算主要用空间梁系有限元法（即空间刚架位移法），节点采用刚接。
其基本计算分析步骤包括：①将网壳结构的杆件离散为梁单元，以节点位移为基本未知量；②先对杆件单元进行分析，根据虎克定律建立单元杆件内力与节点位移之间的关系，形成单元刚度矩阵；③对结构进行整体分析，根据各节点的变形协调条件和静力平衡条件建立结构上的节点荷载和节点位移之间的关系，形成结构的总体刚度矩阵和总刚度方程；④引入边界条件，修正总体刚度矩阵；⑤求解结构的总刚度方程，得出各节点的位移值；⑥由节点位移求出杆件内力。
3.3 结构模型建立如图3-1所示为本工程单层球面网壳结构布置方案示意图，现从《空间网格结构技术规程》（JGJ7-2010）附录B图B.0.2给出的单层球面网壳各种形式中选择扇形三向网格（即凯威特型球面网壳）进行建模，如图3-2、图3-3和图3-4。
图3-1 单层球面网壳结构布置方案示意图图3-2 选取单层球面网壳标准网格形式3.4 节点与单元属性设置根据《空间网格结构技术规程》（JGJ7-2010）第4.1.4条规定，单层球面网壳结构的节点计算模型采用刚接，节点类型选用焊接球，球节点设计时根据实际需要自动设计，配置特性选用软件默认的“自动优化配置”，节点属性参数设置如图3-5。
单元计算模型为梁柱单元，可以承受轴力、弯矩、剪力和扭矩，属于压弯、拉弯构件，单元属性参数设置如图3-6。
图3-4 凯威特型球面网壳模型图3-5 节点属性参数设置图3-6 单元属性参数设置3.5 材料参数设置根据《空间网格结构技术规程》（JGJ7-2010）第5.1.4条规定，杆件截面的最小尺寸应根据结构的跨度与网格的大小按计算确定，普通角钢不宜小于∟50×3，钢管不宜小φ48×3。
本工程单层球面网壳杆件采用的是高频电焊圆钢管，故截面类型中选用圆管，如图3-7，圆钢管常用规格有：60×3.5、75.5×3.75、88.5×4.0、114×4.0、140×4.0、159×6.0、159×8.0、180×8.0、180×10.0、180×12.0、219×12.0、219×14.0等，如图3-8。